不同時空計算尺度對水環(huán)境容量分析結(jié)果的影響

張立

（福建省金皇環(huán)?？萍加邢薰?福建福州 350001）

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定環(huán)境目標(biāo)下所能容納的最大污染物量，容量大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，同時還與污染物的排放方式及排放的時空分布有密切關(guān)系［1］。目前水環(huán)境容量核算通常按照《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地表水環(huán)境》（HJ 2.3—2018）的要求，取90%保證率下最枯月流量作為計算條件［2］，采用一維水質(zhì)模型計算得出年污染物排放量上限作為評價水域的水環(huán)境容量。但筆者在實際工作中發(fā)現(xiàn)，對于水環(huán)境容量不足且需要通過削減污染物以達到水質(zhì)目標(biāo)的河段，由于污染物削減量與受納水體流量呈正相關(guān)，采用最枯月流量計算出的削減量偏小，進而偏離環(huán)境管理的要求。本文以富屯溪越王橋-曬口橋河段的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）的環(huán)境容量計算為例，構(gòu)建一維河道水動力模型，探索不同時間尺度的水文參數(shù)選取及評價河段控制單元劃分對水環(huán)境容量計算的影響，為水環(huán)境保護及管理提供新的方向與思路。

1 流域概況

邵武市主要河流為富屯溪，匯集邵武境內(nèi)的大乾溪、古山溪、故縣河、同青溪等支流后，進入順昌縣。境內(nèi)全長90 km，境內(nèi)流域面積2 210 km2，河道平均坡降0.83‰。境內(nèi)主要支流有26 條，其中：流域面積在50 km2以上的支流有15 條，流域面積在100 km2以上的支流有9 條。根據(jù)邵武市水文站的數(shù)據(jù)，富屯溪90%保證率下的最枯月平均流量為15.3 m3/s。邵武市水系概化圖見圖1。

圖1 邵武市水系概化圖

邵武市境內(nèi)的國控斷面共3 個，依次為富屯溪越王橋斷面、曬口橋段面和富文斷面?！赌掀绞兴h(huán)境質(zhì)量提升三年行動方案（2022—2024 年）》要求曬口橋斷面的水質(zhì)目標(biāo)由原來的Ⅲ類水提升至Ⅱ類水，即CODMn≤4 mg/L、NH3-N≤0.5 mg/L、TP≤0.1 mg/L，但2022 年例行監(jiān)測結(jié)果顯示，曬口橋斷面水質(zhì)不能穩(wěn)定達到Ⅱ類水要求，主要污染物為TP，超標(biāo)率41.7%，最大超標(biāo)倍數(shù)0.2 倍。

2 研究方法

2.1 評價河段

根據(jù)重要水質(zhì)斷面設(shè)置的情況，本文以富屯溪越王橋-曬口橋河段為研究對象，將COD、NH3-N、TP 作為水環(huán)境容量計算因子，評價河段屬性見表1。

表1 評價河段屬性

2.2 選用模型

本研究采用段尾達標(biāo)法開展水環(huán)境容量計算，即每個控制單元的最后1 個斷面的水質(zhì)達到功能區(qū)段的要求。根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173—2010）規(guī)定［3］，年平均流量＜150 m3/s 河段屬于中小型河段，可選取一維模型計算水域納污能力。邵武市境內(nèi)富屯溪多年平均流量為110.9 m3/s，因此采用一維水質(zhì)模型計算水環(huán)境容量，見式（1）。

式中：W 為水域允許納污量；Q 為評價河段流量；CS為控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；C0為控制斷面現(xiàn)狀水質(zhì)濃度；k 為水質(zhì)降解系數(shù)；x 為控制河段距離；u 為河流流速。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù) 《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》（HJ 2.3—2018）對安全余量的要求，控制斷面的水環(huán)境容量按預(yù)留10%安全余量的原則計算［2］。

評價河段流量采用邵武水文站多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)。邵武水文站位于曬口橋斷面上游3.3 km 處，在本研究河段范圍內(nèi)，可代表研究河段的水文特征。污染物背景濃度采用邵武環(huán)境監(jiān)測站2022 年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究成果確定COD 和NH3-N的綜合降解系數(shù)分別取0.10、0.05 d-1［4］，不考慮TP 降解。

3 水環(huán)境容量計算

3.1 不同時間計算尺度下的評估結(jié)果差異

3.1.1 計算結(jié)果

為了解時間尺度對水環(huán)境容量計算結(jié)果的影響，本研究以評價河段為1 個控制單元，分別以年、月尺度計算河段的水環(huán)境容量。年尺度水環(huán)境容量采取90%保證率下最枯月流量和2022 年逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)的最高值作為計算參數(shù)；月尺度水環(huán)境容量采取該月90%保證率流量及2022 年該月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)，同時為了保持評價尺度一致，將每月水環(huán)境容量換算為全年總量，計算結(jié)果見表2～3，數(shù)據(jù)分析見圖2～4。

表2 年尺度下水環(huán)境容量 單位：t／a

表3 月尺度下水環(huán)境容量 單位：t／a

圖2 不同時間尺度下COD 水環(huán)境容量計算結(jié)果

圖3 不同時間尺度下NH3-N 水環(huán)境容量計算結(jié)果

圖4 不同時間尺度下TP 水環(huán)境容量計算結(jié)果

研究結(jié)果顯示，年尺度下COD、NH3-N、TP 的水環(huán)境容量分別為1 106.71、180.17、-14.00 t/a，月尺度下COD、NH3-N、TP的水環(huán)境容量變化范圍分別為2028.97～15502.19、182.55～2 864.24、-54.10～68.13 t/a。水環(huán)境容量正值代表河段除現(xiàn)狀入河污水外，還有一定的承納負(fù)荷能力；水環(huán)境容量負(fù)值代表河段無剩余環(huán)境容量，應(yīng)削減現(xiàn)狀負(fù)荷。

3.1.2 結(jié)果分析

由于水環(huán)境容量的絕對值與河段流量正相關(guān)，而年尺度計算時采用的90%保證率下最枯月流量小于月尺度計算時采用的各月90%保證率流量，對于能滿足水質(zhì)目標(biāo)的評價因子，如COD、NH3-N，年尺度計算值明顯小于月尺度計算值，以“90%保證率下最枯月流量” 作為水文參數(shù)可確定評價河段的最大允許排放量。

對于現(xiàn)狀水質(zhì)達不到水質(zhì)目標(biāo)的評價因子，如TP，水環(huán)境容量評價更側(cè)重于污染物削減量的計算，但年尺度下計算得出的削減量小于月尺度下部分月份計算的削減量，從而導(dǎo)致削減不充分。為驗證這一結(jié)果，本研究按照年尺度下得出的TP 14.00 t/a 削減量進行逐月水質(zhì)預(yù)測，結(jié)果見表4，結(jié)果表明，按照“90%保證率下最枯月流量”核算的污染物削減量進行削減后，研究河段不能穩(wěn)定達到水質(zhì)目標(biāo)要求。

表4 按年尺度計算結(jié)果進行TP 削減后的水質(zhì)預(yù)測結(jié)果 單位：mg／L

3.1.3 思考

水功能區(qū)中的河道流量、水體濃度等水文水質(zhì)條件是隨季節(jié)變化的，因而水環(huán)境容量亦應(yīng)是隨外部條件變化，逐月均不相同。水環(huán)境容量計算結(jié)果通常為90%保證率下最枯月流量時的固定數(shù)值，其計算結(jié)果與實際污染情況不符，特別是在現(xiàn)狀不能達到水質(zhì)目標(biāo)的情況下，由此計算得到的污染物削減量不足，導(dǎo)致污染管控措施不到位，環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)不可達。工作中建議根據(jù)實際情況計算逐月的動態(tài)水環(huán)境容量，依據(jù)河道容量對污水排放進行靈活管理［5］。

3.2 不同空間計算尺度下的評估結(jié)果差異

3.2.1 計算結(jié)果

為了解空間尺度對水環(huán)境容量計算結(jié)果的影響，統(tǒng)一以90%保證率下最枯月流量及2022 年逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)的最高值作為計算參數(shù)，按照段尾達標(biāo)法原則，采取2 種不同空間尺度開展研究，分別為評價河段1 個控制單元（計算結(jié)果見表2）、評價河段按支流細(xì)化為4 個控制單元（控制單元劃分見圖5）。

圖5 按支流劃分評價河段控制單元

3.2.2 結(jié)果分析

由表5 可知，在評價河段劃分為4 個控制單元的空間尺度下，COD、NH3-N、TP 的水環(huán)境容量分別為994.69、174.73、-14.00 t/a，小于評價河段整體作為1 個控制單元的空間尺度下計算值，分別占其0.90、0.97、1.00 倍。2 個空間尺度下的水環(huán)境容量計算結(jié)果對比見圖6，差異性分析見圖7。研究結(jié)果顯示，衰減系數(shù)越大，差異越明顯，究其原因在于空間尺度主要影響水體自凈容量。

表5 按支流劃分控制單元的水環(huán)境容量

圖6 不同空間尺度下水環(huán)境容量計算結(jié)果

圖7 不同空間尺度下水環(huán)境容量差異性分析

3.2.3 思考

當(dāng)前，水環(huán)境容量核算大都以整條河作為整體進行計算（河道各處的水文條件一致）或者按照功能區(qū)進行分段核算后匯總，這種計算空間尺度對于大流域水體較為適用，而對于城市小流域水體且支流、排污口較多的情況則過于粗略［6］。工作中建議充分考慮水環(huán)境容量的空間分布特性，結(jié)合水文條件明顯變化界面，以及重要取水、排水口的位置等盡可能細(xì)化控制單元。

4 結(jié)論

本研究以富屯溪越王橋-曬口橋河段為例，采用一維水質(zhì)模型，從不同時空尺度計算了水環(huán)境容量，分析了水環(huán)境容量在時間和空間上的差異性，以期為流域水環(huán)境保護與管理提供重要參考和新思路。

（1）水環(huán)境容量具有明顯的時間分布差異，流量是影響水環(huán)境容量的重要因素。對于現(xiàn)狀水質(zhì)達不到水質(zhì)目標(biāo)的評價河段，若僅以90%保證率下最枯月流量作為水文參數(shù)，會導(dǎo)致部分月份污染物削減量不足，進而使得環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)不可達。

（2）水環(huán)境容量受上游來水、支流及排污口等影響，呈現(xiàn)空間分布的不均勻性，且衰減系數(shù)越大，空間不均勻性越明顯。

新形勢下的生態(tài)環(huán)境保護工作需遵循“環(huán)境質(zhì)量不降低”的原則，其重點是提出相應(yīng)的區(qū)域削減措施，以騰出環(huán)境容量，實現(xiàn)“增產(chǎn)不增污”。而如何合理確定區(qū)域削減量是目前亟需解決的問題。當(dāng)前普遍采用的水環(huán)境容量計算模型及參數(shù)選取方式更適用于水質(zhì)達標(biāo)流域，對水質(zhì)不達標(biāo)區(qū)尚沒有成熟的削減量計算方法。因此應(yīng)進一步優(yōu)化水環(huán)境容量計算方式，為精細(xì)化管理和精準(zhǔn)治污提供技術(shù)支撐，穩(wěn)妥推進生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。